[發(fā)明專利]一種無碳足跡的合成氨裝置、方法及其應(yīng)用

有效

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• 申請日: 2015-12-30
• 公開（公告）號: CN105540609B
• 公開（公告）日: 2017-09-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 孫暉;周紅軍
• 申請（專利權(quán)）人: 中國石油大學(xué)(北京)
• 主分類號: C01C1/02
• 分類號: C01C1/02;C25C3/02
• 代理公司: 北京三友知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司11127
• 代理人: 張德斌,姚亮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種無碳足跡的合成氨裝置、方法及其應(yīng)用，屬于合成氨及氮肥生產(chǎn)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)

嚴(yán)峻的環(huán)境問題使得人類越來越重視低碳生活及節(jié)能減排。而當(dāng)今農(nóng)業(yè)生產(chǎn)過程中使用的氮肥如尿素和氨水的生產(chǎn)幾乎全部以煤、石油或天然氣為碳源；即首先將水轉(zhuǎn)化生產(chǎn)氫氣，再使氫氣與氮氣反應(yīng)合成氨，最后使得氨氣與部分二氧化碳反應(yīng)生產(chǎn)尿素。而副產(chǎn)的二氧化碳部分或全部排放。二氧化碳的排放會導(dǎo)致溫室效應(yīng)，進(jìn)一步會產(chǎn)生嚴(yán)重的環(huán)境問題。

發(fā)明內(nèi)容

為了解決上述的缺點和不足，本發(fā)明的目的在于提供一種無碳足跡的合成氨裝置。

本發(fā)明的目的還在于提供一種采用上述合成氨裝置的無碳足跡的合成氨方法。

本發(fā)明的目的還在于提供一種包含上述合成氨方法的無碳足跡的氮肥生產(chǎn)方法。

本發(fā)明的目的還在于提供上述合成氨方法在生產(chǎn)氮肥中的應(yīng)用。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供了一種合成氨裝置，該裝置包括反應(yīng)器左室、反應(yīng)器右室，所述反應(yīng)器左室設(shè)置有反應(yīng)器左室入口及出口，反應(yīng)器右室設(shè)置有反應(yīng)器右室入口及出口；

所述反應(yīng)器左室、反應(yīng)器右室之間設(shè)置有隔膜；

所述反應(yīng)器左室、反應(yīng)器右室為內(nèi)側(cè)壁均粘貼有碳質(zhì)材料電極的反應(yīng)器左室、反應(yīng)器右室；

所述碳質(zhì)材料電極與電源相連。

根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選地，將每個碳質(zhì)材料電極的面積記為S，則兩電極之間的距離為S^0.5/10，合成氨裝置的體積(指反應(yīng)器左室、反應(yīng)器右室的體積和)為S×S^0.5/10。

根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)現(xiàn)場作業(yè)需要改變陰極、陽極與電源的連接關(guān)系以將陰極、陽極進(jìn)行切換使用，即將原來的陰極(陽極)切換為陽極(陰極)。

根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選地，所述隔膜包括玻璃纖維隔膜或高分子隔膜。

根據(jù)本發(fā)明所述的裝置，優(yōu)選地，所述碳質(zhì)材料包括碳紙、碳布、多孔石墨板或泡沫石墨烯。

本發(fā)明還提供了一種合成氨的方法，該方法是利用上述裝置實現(xiàn)的，其包括以下步驟：

a、使金屬鋰與氮氣相接觸發(fā)生反應(yīng)，得到氮化鋰；

b、在室溫、常壓、氮氣氣氛下，使氮化鋰與水蒸汽接觸發(fā)生反應(yīng)，得到氨氣和氫氧化鋰；

c、對氫氧化鋰進(jìn)行電解以回收金屬鋰，再將得到的金屬鋰按照步驟a繼續(xù)進(jìn)行反應(yīng)。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，所述金屬鋰的用量為每平方厘米電極材料(指需要涂覆金屬鋰的電極材料)涂覆1-10mg金屬鋰。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，步驟b中氮化鋰與水蒸汽的反應(yīng)為放熱反應(yīng)，因此步驟b中不需要額外加熱，并且出于實驗安全考慮，本發(fā)明需要將反應(yīng)放出的熱量進(jìn)行熱交換以避免反應(yīng)溫度過高。反應(yīng)生成的氫氧化鋰微溶于水(100克水能溶解12.7克氫氧化鋰)，因此步驟b選用水蒸汽作為反應(yīng)原料不但可以控制(降低)反應(yīng)放熱，還可以防止一部分鋰的流失。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟c中所述電解過程采用的電極為碳質(zhì)材料電極；

更優(yōu)選所述碳質(zhì)材料包括碳紙、碳布、多孔石墨板或泡沫石墨烯。

本發(fā)明所使用的碳紙、碳布、多孔石墨板及泡沫石墨烯均為本領(lǐng)域的常規(guī)產(chǎn)品，可以通過購買獲得。

本發(fā)明所使用的玻璃纖維隔膜及高分子隔膜均為本領(lǐng)域的常規(guī)產(chǎn)品，可以通過購買獲得，其中所述高分子隔膜可以采用目前應(yīng)用于鋰離子電池中的高分子隔膜。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟c中所述電解過程采用的電解工作液包括乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚電解液，雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰電解質(zhì)及碘化鋰添加劑；

更優(yōu)選地，以所述電解工作液的總體積計，雙三氟甲烷磺酰亞胺鋰的濃度為0.10-0.50mol/L；碘化鋰的濃度為0.01-0.10mol/L。在電解工作液中，乙二醇二甲醚或四乙二醇二甲醚為溶劑。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，步驟c所述的電解是在常溫、常壓下進(jìn)行的，電解過程的電壓為2.0-4.5V，電流強度為0.04-0.40A/g金屬鋰。在本發(fā)明優(yōu)選的實施方式中通過電解過程的電壓來判斷電解反應(yīng)是否結(jié)束，即當(dāng)電解過程的電壓達(dá)到4.5V時，認(rèn)為電解反應(yīng)結(jié)束。

根據(jù)本發(fā)明所述的方法，優(yōu)選地，該方法包括以下具體步驟：

a、將金屬鋰涂覆在作為陽極的碳質(zhì)材料上，從內(nèi)側(cè)壁粘貼有作為陽極的碳質(zhì)材料的反應(yīng)器入口通入氮氣，使氮氣與金屬鋰發(fā)生反應(yīng)生成氮化鋰固體；